USB基本原理

USB是一種由PC（USB主機）發起一次傳輸，設備（例如一套USB揚聲器）繼而響應的通信協議。每次傳輸都尋址到一個特定設備，並尋址到該設備的一個特定端點。IN傳輸將數據發送至PC。當主機發起一次IN傳輸時，設備必須用主機所需的數據做出響應。OUT傳輸將數據傳輸至設備。當主機執行一次OUT傳輸時，它發送設備必須捕獲的數據包。在USB音頻領域
，IN傳輸和OUT傳輸可以用於傳輸音頻樣本：一個OUT傳輸將音頻數據從PC發送至揚聲器，而IN傳輸用於將音頻數據從麥克風發送至PC。

USB規範中有4種類型的IN傳輸和OUT傳輸：批量傳輸、同步傳輸、中斷傳輸和控製傳輸。

批量傳輸用於在主機和設備之間可靠地傳輸數據。所有USB傳輸都帶有CRC（校驗和）
，它表明是否有錯誤發生。在一次批量傳輸中，數據的接收端必須驗證CRC。如果CRC正確
，傳輸被應答，數據被假定已經傳輸無誤。如果CRC不正確，傳輸不會被應答，然後將會重試。如果設備未準備好接收數據
，它將傳送一個否定應答（NAK）信號
，該信號將會使主機重試傳輸。批量傳輸不被認為對時間要求嚴格，因此將會安排在以下將要討論的、對時間要求嚴格的各種傳輸的周邊時間。

tongbuchuanshuyongyuzaizhujiheshebeizhijianshishichuanshushuju。ruozhujijianliletongbuduandian，zhujihuiweitongbuduandianfenpeiyidingshuliangdedaikuan，bingqietajiangzaigaiduandianshangguilvdizhixingIN傳輸或OUT傳輸。例如，主機可以每125μs對該設備OUT 1KB數據。由於分配了固定的、有限數量的帶寬，如果出現了任何異常，都將沒有時間重發數據。數據具有正常的CRC，但是如果接收端檢測到錯誤，將沒有重發機製。

中斷傳輸被主機用於定期探詢設備，以發現是否有值得做的事情發生。例如，主機可以探詢音頻設備，核對靜音（MUTE）按鈕是否已被按下。“中斷”傳輸這個名稱有一點混淆視聽，因為其並不中斷任何事情。然而，數據的定期探詢給出了主機中斷將會提供的相同類型的功能。

控製傳輸與批量傳輸非常相似。控製傳輸會被應答（即可以被NAK）
，並(bing)且(qie)以(yi)非(fei)實(shi)時(shi)方(fang)式(shi)傳(chuan)送(song)。控(kong)製(zhi)傳(chuan)輸(shu)用(yong)於(yu)正(zheng)常(chang)數(shu)據(ju)流(liu)以(yi)外(wai)的(de)操(cao)作(zuo)
，例(li)如(ru)詢(xun)問(wen)設(she)備(bei)功(gong)能(neng)或(huo)端(duan)點(dian)狀(zhuang)態(tai)。設(she)備(bei)功(gong)能(neng)描(miao)述(shu)的(de)說(shuo)明(ming)在(zai)本(ben)文(wen)範(fan)疇(chou)之(zhi)外(wai)，本(ben)文(wen)僅(jin)陳(chen)述(shu)諸(zhu)如(ru)“USB音頻類”或“USB大容量存儲類”等預定義的類型，它們能夠實現跨平台的互操作性。

USB幀中製定了所有的傳輸類型。高速USB幀的長度為125μs（Full Speed USB幀為1ms）
，並由主機發送幀起始（SOF）消息進行標記。同步傳輸和中斷傳輸每幀至多發送一次。

USB音頻

USB音頻使用了同步傳輸、中斷傳輸和控製傳輸。所有音頻數據通過同步傳輸來傳輸；中斷傳輸用於轉發關於音頻時鍾可用性的信息；控製傳輸用於設置音量
、請求采樣率等（參見圖1）。

USB音頻係統的數據需求取決於通道數、代表每個樣本的位數，以及采樣率。典型的通道數為2（立體聲）、6（5.1聲道）或者更高（用於錄音室或DJ應用）。盡管傳統音頻可用16位，典型的采樣率為24位，而高質量音頻為32位。典型的采樣率為44.1、48

、96及192kHz，後者為高質量音頻所使用。

這裏假設去設計一個具有96kHz采樣率和24位樣本的立體聲音頻揚聲器係統
，為了簡化主機和設備上的數據編組，24位值一般用一個零字節填充
，因此，總數據吞吐速率為96,000×2通道×4B=768,000Bps。同步端點以每125μs進行一次傳輸（或8000次傳輸/s）的速率工作。用所需的字節速率除以幀速率
，可以得到每次同步傳輸的字節數：768,000/8,000=每次傳輸96B。

假若使用例如44,000Hz 的CD唱片速率，傳輸速率經計算為44.1次傳輸/s。在USB音頻中，每次傳輸總是運送整數個樣本

；傳輸在48B和40B（6個和5個立體聲樣本）之間交替進行，以至於平均速率算出為每次傳輸44.1B。

單次同步傳輸可運送1024B，最多能夠運送256個樣本（在24/32位時）。這意味著，單個同步端點在48kHz時能傳輸42個通道

，或者在192kHz時能傳輸10個通道——假定使用的是高速USB（High Speed USB）——全速USB（Full Speed USB）在48kHz時無法運送多於一個立體聲IN和OUT對。

當發送數字音頻時，將會有延遲引入。在高速USB的情況下，延遲為250μs。數據包在每個125μs窗口中傳輸一次
，但是考慮到它可能會在該窗口中的任何時候發送
，需要有一個250μs的緩衝器。在該250μs延遲的頂端
，操作係統（O/S）驅動程序和編解碼器（CODEC）中可能引起額外延遲。注意：全速USB的固有延遲遠遠更高（為2ms）
，因為數據在每個1ms窗口中僅發送一次。
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1s在“朋友”之間是什麼？

在數字音頻中，商定一個共同的時間概念是大問題。上文已經定義了USB幀的傳輸速率為8,000次/s，並設定了揚聲器播放樣本的速率為96,000次/s。僅當揚聲器和主機約定了1s的長度

，這才能夠奏效。USB音頻提供了3種模式
，來確保主機和揚聲器共同約定時序：

1、在同步模式中，1s的長度由主機設備定義。這就是說
，主機以某個速率發送數據
，設備必須精確匹配這個速率。

2

、在異步模式中，這正好相反——設備設置1s的定義，主機必須對設備進行匹配。

3、在自適應模式中
，數據流決定時鍾。

自適應模式和同步模式並不理想，因為PC保持時鍾穩定的能力非常差
，而且經常有其他音頻源介入，例如一台外部數字錄音機。異步模式使外部時鍾源（或是設備內的低抖動時鍾）能夠用作主時鍾。一般兩者都依賴於基於晶振的鎖相環（PLL）

，如圖2所示。

因此，係統中至少有2個不同的時鍾：USB時鍾由主機產生
，頻率為8,000次傳輸/s；采樣時鍾由外部產生，例如
，其采樣率為96,000Hz。

這些時鍾的頻率會略有不同，其差別會隨時間略微變化。因此，每幀音頻樣本的平均數會稍微高於或低於期望的比率。例如，在本文96,000Hz采樣率的情況下，樣本的平均數為12.001。為(wei)了(le)確(que)保(bao)主(zhu)機(ji)發(fa)送(song)正(zheng)確(que)數(shu)量(liang)的(de)數(shu)據(ju)，並(bing)且(qie)不(bu)會(hui)太(tai)多(duo)或(huo)太(tai)低(di)
，主(zhu)機(ji)向(xiang)中(zhong)斷(duan)端(duan)點(dian)請(qing)求(qiu)當(dang)前(qian)的(de)采(cai)樣(yang)率(lv)。每(mei)隔(ge)幾(ji)個(ge)毫(hao)秒(miao)，上(shang)一(yi)個(ge)周(zhou)期(qi)的(de)平(ping)均(jun)采(cai)樣(yang)率(lv)將(jiang)以(yi)16.16位定點數格式回報。如果上一個周期取平均數為12.001幀，那麼報告值將為0x000C0041（65536×12.001）。

給定該平均速率，主機將能計算出在一次傳輸中在何時發送額外樣本；在此例中，每秒8次傳輸將運送一個額外樣本。此外，主機能夠利用該值與音頻設備進行同步。這使得DVD播放器等主機應用能夠將視頻保持為與音頻同步。如果沒有同步，音頻會慢慢地跑到視頻前麵，兩個小時以後，音頻將會有1s誤差。

為(wei)了(le)保(bao)持(chi)反(fan)饋(kui)回(hui)路(lu)較(jiao)短(duan)，訣(jue)竅(qiao)是(shi)不(bu)對(dui)音(yin)頻(pin)包(bao)和(he)反(fan)饋(kui)包(bao)做(zuo)不(bu)必(bi)要(yao)的(de)緩(huan)衝(chong)。任(ren)何(he)附(fu)加(jia)的(de)緩(huan)衝(chong)都(dou)會(hui)產(chan)生(sheng)報(bao)告(gao)延(yan)遲(chi)，該(gai)延(yan)遲(chi)使(shi)得(de)保(bao)持(chi)通(tong)信(xin)流(liu)的(de)平(ping)滑(hua)變(bian)得(de)更(geng)加(jia)困(kun)難(nan)。這(zhe)意(yi)味(wei)著(zhe)，底(di)層(ceng)USB棧和USByinpinzhanyingjinmijicheng，erwuxuzaitamenzhijianhuanchong。jinguanzhezaiyingyongchuliqishangnanyidadao，danshibaruanjianzaizhixingshijiankeyucedeqianrushichuliqishanglaishixian，zhedianjiangfeichangrongyidadao。zhuruXMOS等公司現在可以提供這種可預測的嵌入式處理器，如XMOS的xCORE多核MCU等處理器係列。借助其豐富的內置USB接口

，它們緊密地將底層USB棧和USB音頻棧集成在一起。
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多個時鍾源

以上方案僅考慮了兩個時鍾源——或者USB設備提供時鍾，或是主機提供時鍾。在調音台等更複雜的設備中
，可能還有其他設備提供采樣率，例如


，通過ADAT或S/PDIF等數字接口，或通過攜帶字時鍾的BNC連接器提供。對於這樣的係統，USB音頻標準使設計人員能夠在設備當中置入時鍾選擇器。

時鍾選擇器規定采用哪個時鍾作為采樣率。時鍾選擇器有多個輸入時鍾（例如
，一個S/PDIF接口上的輸入時鍾
、本地晶振、以及一個ADAT接口上的輸入時鍾）
，並帶有一個用戶可選擇哪個時鍾用作輸入的控製傳輸，例如S/PDIF接口上的輸入時鍾。

符合性及原生支持

一旦一款設備符合USB音頻類協議

，它將會很便捷地集成到操作係統中。圖3顯示了USB音頻設備插入到Mac OS/X係統中的控製界麵截屏。它表明
，時鍾選擇
、采樣率選擇、通道音量控製以及靜音控製等都是可以控製的，就像對於任何其他的音頻設備那樣。

設備的標準符合性使其可以實現互操作。O/S供應商能夠提供一種單獨的USB音頻驅動程序，該驅動程序可驅動大量設備

，並具有眾多功能。

的確，相同的USB音頻實現能夠進行參數化
，以實現不同數量的通道，並且相同的驅動程序能夠用於連接設備。

結語

USB-Audio Class 2.0利用了高速USB 2.0標準

，支持在PC和一台所連接的音頻設備之間對音頻進行低延遲傳輸。高速USB 2.0的高吞吐率可用於實現多個音頻通道，並且具有高的音頻質量。USB音頻類標準可服務於多種設備的，從複雜的、具備多個通道、多個時鍾源和複雜控製的調音台
，到環繞立體聲係統、PC揚聲器和麥克風。

目前
，頂級的消費性音頻產生已經推出了各種USB-Audio產品，並且受到了市場的好評，如Sony和OPPO已經推出了基於XMOS公司xCORE多核MCU產品的USB-Audio耳機放大器和音響組合單元。預計該項應用將在不遠的將來為更多用戶所選用。

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